Прокладка дренажных труб широко распространена на сельскохозяйственных полях Среднего Запада США, помогая отводить избыток воды и аэрировать почву. Хотя эта практика повышает урожайность, она может привести к попаданию фосфора в близлежащие водоемы, где он способствует развитию вредных цветений водорослей. Направление стока из дренажных труб через конструкцию, заполненную биоуглем — разновидностью древесного угля, производимого из органических отходов, — потенциально может стать решением проблемы фосфорного загрязнения, но этот метод является новым и еще не до конца изучен.
В новом исследовании ученые из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн изучили способность специально разработанных гранул биоугля поглощать и высвобождать фосфор в реальных условиях и обнаружили, что они показывают худшие результаты, чем в лабораторных условиях. Результаты исследования опубликованы в журнале Water Environment Research.
«Идея заключалась в том, чтобы выяснить, можем ли мы использовать специально разработанные гранулы биоугля для улавливания фосфора из дренажных труб и последующего добавления этих гранул в поле в качестве фосфорной питательной добавки, которая снижает необходимость последующего внесения фосфатов», — говорит ведущий автор исследования Агнес Миллимуно, аспирантка кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии, входящей в состав Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук и Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Биоугольные гранулы, изготовленные по индивидуальному заказу, создавались путем смешивания древесных опилок с бентонитовой глиной и известковым шламом, а затем нагревания и сушки для получения плотного, богатого углеродом материала с большой площадью поверхности.
Сначала гранулы поместили в выходное отверстие дренажной системы на поле в центральной части штата Иллинойс примерно на год. Затем их извлекли и высушили для лабораторных исследований.
Исследователи обнаружили, что при воздействии на гранулы биоугля, изготовленные по индивидуальному заказу, чистого раствора, приготовленного в лаборатории, они поглощали фосфор, как и ожидалось. Но при воздействии на гранулы сточных вод от коровьего навоза и других сельскохозяйственных стоков они поглощали и высвобождали фосфор непредсказуемым образом.
Сточные воды, такие как коровий навоз и другие сельскохозяйственные стоки, содержат конкурирующие ионы и другие химические элементы, а также богаты разнообразными микроорганизмами. Это приводит к более сложной динамике, чем в чистом фосфатном растворе, что снижает эффективность разработанных биоугольных гранул в реальных условиях эксплуатации.
«Сельскохозяйственные сточные воды содержат остатки пестицидов, гербицидов, металлов и биологических компонентов, и они очень реактивны. Поле подвергается воздействию дождя и других погодных явлений, а почва имеет очень сложный состав. Наши результаты показывают, что важно проводить эксперименты в реалистичных условиях, которые более точно имитируют реальные условия», — сказал соавтор Хорхе Гусман, научный сотрудник кафедры биотехнологий и инженерии.
Исследователи измерили концентрацию pH, минеральных солей, фосфора и растворенного органического углерода в сточных водах.
Гусман отметил, что pH особенно важен для регулирования сорбции и десорбции, поскольку он влияет на поверхностный заряд, концентрацию ионов и реакционную способность минералов. Уровень pH влияет на то, как реагирует биоуголь, но гранулы также могут влиять на pH и повышать щелочность, поэтому это динамический процесс.
Во второй части эксперимента на исследовательском участке кукурузного поля в центральном Иллинойсе были добавлены как новые, так и использованные (отработанные) гранулы. Цель заключалась в оценке способности новых гранул поглощать фосфор, а отработанных — высвобождать его в почву. Исследователи снова обнаружили, что динамика pH является важным фактором, и более высокие уровни pH связаны с большим удалением фосфатов из почвенного раствора, вероятно, за счет осаждения фосфора.
«Другие исследования показали, что биоуголь эффективен для удаления питательных веществ в полевых условиях. Но большинство этих исследований основаны на лабораторных экспериментах с использованием чистого раствора фосфатов. При использовании в реальных условиях необходимо учитывать состояние почвы. Также необходимо проверить существующий уровень фосфора перед внесением гранул», — говорит Миллимуно.
Учитывая двойную роль специально разработанных гранул биоугля в сорбции и десорбции, оценка уровня фосфора в почве перед использованием имеет важное значение, пояснила она: «Необходимы долгосрочные исследования, чтобы оценить потенциальное воздействие специально разработанных гранул биоугля в полевых условиях. Понимание взаимодействия биоугля и фосфора в различных типах почв и условиях будет иметь решающее значение для определения их эффективности в управлении фосфорными ресурсами».
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Марианна Штайн.
На фото: Агнес Миллимуно, аспирантка Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, отбирает образцы биоугля, полученного в ходе полевого эксперимента, для дальнейшего анализа. Источник фото: College of ACES.
